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              涂料助劑|顏料、分散劑的結構及分散劑的作用
              時間: 2021/11/24  作者:贏信行化工
              涂料廣泛應用于我們的日常生活中,對被涂件起到了保護、裝飾及特殊功能作用。涂料主要由成膜物質(樹脂)、顏填料、助劑和溶劑(或水)組成。隨著工業的發展與生活水平的提高,顏料被越來越多地應用到涂料油墨工業當中,以賦予更好的表觀效果。與染料不同,顏料通常不溶于所使用的介質,大多數情況下都是以聚集體的方式存在。要得到好的著色力、遮蓋力及色度等,必須將顏料的聚集體打開并保持穩定。如果顏料沒有分散好,許多缺陷就有可能發生,如:絮凝、失光、顏色偏移、浮色/發花、沉淀等。本文介紹了顏料及分散劑的結構,以及分散劑在顏料分散時所起的作用。

              1、顏料的形態及粒徑

              在涂料中,顏料大多被制成懸浮液使用。

              顏料的粒徑范圍分布很寬,一般從0.05 μm到1 mm之間。但研究表明,當顏料的粒徑在0.05 ~ 0.50 μm之間時,具有最佳的著色力、光澤、遮蓋力和耐候性等。圖1顯示了不同顏料粒徑的對比。

              顏料制造過程中形成的最小粒子稱為原始粒子,它以單晶體或者一組晶體存在,粒徑非常小。而原始粒子之間以面和面相結形成的團塊,稱為聚集體,聚集體比較緊密,一般的分散設備很難將其分散成原始粒子。而原始粒子和聚集體通過范德華力結合在一起,形成的較大顏料粒狀團塊,稱為附聚體。附聚體粒子之間以點、邊、角相接觸,粒子間作用力小,可通過機械的力量將其分散成原始粒子或聚集體。

              我們希望顏料分散后成為原始粒子的懸浮液(理想狀況),至少也是聚集體和原始粒子的懸浮液。但體系的趨勢是從高能態恢復到低能狀態,故以微細顆粒分布的顏料容易聚集成絮凝體。從結構上看,絮凝體與附聚體非常相似,但絮凝體中顏色之間是樹脂溶液而不是空氣。分散劑的存在會阻止或減緩絮凝的發生。

              2、顏料的分散過程

              顏料的分散過程由潤濕、分散、穩定3個步驟組成。潤濕過程中,顏料表面的的空氣和水氣被樹脂溶液所替換,固/氣兩相(顏料/空氣)被轉換成固/液兩相(顏料/樹脂溶液)。分散劑尤其是低分子型的潤濕分散劑能加快潤濕的過程。分散過程中,主要依靠機械能作用(沖擊和剪切力),顏料的團聚態被打碎成較小的微粒,成為分散狀態(均勻分布)。第三步是穩定的過程,分散劑用于保持顏料分散狀態的穩定,阻止失控的絮凝,并依據顏料表面所吸附的黏結劑種類和分子結構,促使懸浮液獲得穩定狀態。分散劑尤其是高分子分散劑對顏料粒子的穩定起了很大的作用。

              3、分散劑的作用

              分散劑在涂料生產中發揮了非常重要的作用。分散體系的穩定能避免諸多的涂料問題及漆膜弊病,如果配方合理,適量地添加分散劑能夠有效降低成本,改善涂料性能。

              3.1 提升光澤,增加流平效果

              有試驗表明,完全相同的配方,采用不同的分散劑,得出的漆膜光澤會有明顯的差別。例如,在某黑色卷材涂料體系中,不同的3種分散劑制得的涂料涂膜的20°光澤分別是69.7%、81.5%、77.1%。如果所采用的分散劑不恰當,顏色絮凝后變粗,其對光澤所起的作用類似于消光粉,自然會影響光澤。

              3.2 防止浮色發花

              防止浮色發花,是大家所熟知的分散劑的作用之一。選用合適的分散劑,無論是罐內浮色發花還是漆膜的浮色發花,都可以得到改善或消除。圖3顯示的是采用不同的分散劑制得的藍漆與白漆按相同比例混合均勻后所得出的罐內浮色發花的結果。

              3.3 提高著色力

              顏料分散和穩定得更好,其著色力會明顯加強。圖4顯示的是采用不同的分散劑分散的黑漿,與白漆按相同的比例混合后的涂膜結果,可以明顯看出其著色力的差別。

              3.4 降低黏度,增加顏料載入量

              采用合適的分散劑,所得的色漿黏度會明顯降低。這樣可以增加顏料的載入量,提高生產效率。

              3.5 減少絮凝,增加施工性和使用性

              許多人在評估分散劑時,都會做指研試驗。如果分散劑搭配不恰當,指研的區域與未指研的區域會產生明顯的色差,絮凝后的顏料著色力會下降,這給調色及涂料施工都帶來困難。采用流板試驗,也能觀察到色漿的絮凝與否。

              3.6 防止返粗,增加貯存穩定性

              如果選用不合適的分散劑,色漿發生返粗或因絮凝而產生顏色的變化,都不是大家所希望的。除樹脂體系外,分散劑是影響涂料貯存穩定性的重要因素。分散不佳的色漿會發生返粗、沉降及著色力下降。

              3.7 增加展色性和顏色飽和度

              分散劑的這個作用最易為大家所忽略。有實例表明,采用不同的分散劑分散相同的顏料,其色相及飽和度會有明顯差別。通常來說,分散得越好,飽和度會越高(如果是碳黑,則是分散得越好,L值越低,黑度越高)。

              3.8 增加透明度(有機顏料)或遮蓋力(無機顏料)

              對于鋁粉漆來說,會希望色漿的透明性越高越好。而針對素色漆,又希望色漿的遮蓋力越高越好。其實這與顏料粒徑有關。有資料顯示,除折射率外,顏料粒徑分布是透明度的另一重要因素。粒徑增加,散射光線能力增強,直到最大值,然后開始下降。這種散射光線的能力增強了顏料的遮蓋力,散射能力最強時達到最大,粒徑繼續增加遮蓋力則會下降。而當顏料粒徑低于某個值時,隨著粒徑的下降,透明度會增加。分散劑不能改變顏料本身的特性,但能控制顏料粒徑分布,達到更理想的顏色效果。

              3.9 提高研磨效率,降低生產成本

              潤濕分散劑的潤濕功能使顏料表面的空氣和水能更快速地被研磨介質的液體所取代,同時使分散階段所取得的顏料初級粒子的分離得以保持和控制。這些都提高了研磨效率,降低了能耗和人力成本。

              3.10 防止沉降

              許多人想當然地認為防沉必須依靠防沉劑,其實這是片面的。研磨好的色漿如果產生絮凝,顏料粒子變大,密度增加,就會很快沉降。選用了合適分散劑的色漿可以少加甚至不需要添加防沉劑。筆者曾經做過70% 的鈦白粉無樹脂色漿,其黏度很低(91.1 mPa·s, 剪切速率為10 s-1),未加入任何防沉劑,經過15 d的熱貯存(40 ℃)及室溫放置3個月,均無任何沉淀產生。分散劑的防沉作用顯然對涂料的貯存穩定性也有幫助。

              4、分散劑的基本結構及類型

              分散劑又稱濕潤分散劑,它除具有濕潤作用外,其活性基團一端能吸附在粉碎成細小微粒的顏料表面,另一端溶劑化進入漆基形成吸附層(吸附基越多,鏈節越長,吸附層越厚),產生電荷斥力(水性涂料)或熵斥力(溶劑型涂料),使顏料粒子長期分散懸浮于漆基中,避免再次絮凝,因而保證制成的色漆體系的貯存穩定。

              分散劑有很多種,初步估算,現存世界上有1 000多種物質具有分散作用?,F按其結構來區分,可分為以下7種類型。

              4.1 陰離子型潤濕分散劑

              大部分是由非極性帶負電荷的親油的碳氫鏈部分和極性的親水的基團構成。2種基團分別處在分子的兩端,形成不對稱的親水親油分子結構。它的品種有:油酸鈉C17H33COONa、羧酸鹽、硫酸酯鹽(R—O—SO3Na)、磺酸鹽(R—SO3Na)等。陰離子分散劑相容性好,被廣泛應用于水性涂料及油墨中。多元羧酸聚合物等也可應用于溶劑型涂料,并作為受控絮凝型分散劑廣泛使用。

              4.2 陽離子型潤濕分散劑

              是非極性基帶正電荷的化合物,主要有胺鹽、季胺鹽、吡啶鎓鹽等。陽離子表面活性劑吸附力強,對炭黑、各種氧化鐵、有機顏料類分散效果較好,但要注意其與基料中羧基起化學反應,還要注意不要與陰離子分散劑同時使用。

              4.3 非離子型潤濕分散劑

              在水中不電離、不帶電荷,在顏料表面吸附比較弱,主要在水系涂料中使用。主要分為乙二醇性和多元醇型,降低表面張力和提高潤濕性。與陰離子型分散劑配合使用作為潤濕劑或乳化劑,廣泛應用于水性色漿、水性涂料及油墨中。

              4.4 兩性型潤濕分散劑

              是由陰離子和陽離子所組成的化合物。典型應用的是磷酸酯鹽型的高分子聚合物。這類聚合物酸值較高,可能會影響層間附著力。

              4.5 電中性型潤濕分散劑

              分子中陰離子和陽離子有機基團的大小基本相等,整個分子呈現中性,但卻具有極性。

              4.6 高分子型超分散劑

              高分子型分散劑最為常用,穩定性也最佳。高分子型分散劑也分為多己內多酯多元醇-多乙烯亞胺嵌段共聚物型分散劑、丙烯酸酯高分子型分散劑、聚氨酯或聚酯型高分子分散劑等,由于它們的錨定基團一頭與樹脂纏繞吸附,另一頭又與顏料粒子包附,因此貯存穩定性是比較好的。

              5、結語

              要使顏填料在涂料體系中完全發揮作用,分散劑的應用與合理選擇是必須的。而在分散顏料之前,又必須對顏料及分散劑的結構進行了解。很多涂料技術人員或管理人員會認為,添加分散劑會增加成本,但其實不然。穩定的顏填料漿體系,能避免很多后續的問題。從綜合的結果來看,合理地篩選分散劑并添加合適的量,是可以節省成本,并大幅度提升涂料的性能的。

              分散劑

              關鍵詞:涂料助劑,潤濕分散劑,分散劑



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